砷胁迫下不同纳米颗粒对水稻养分吸收、生理特性及砷累积的影响

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［４４］ＹａｎＹＹ，ＳｕｎＳＳ，ＺｈａｏＮ，ｅｔａｌ．ＣＯＭＴ１ｏｖｅｒｅｘｐｒｅｓｓｉｏｎｒｅｓｕｌｔｉｎｇ
ｉｎｉｎｃｒｅａｓｅｄｍｅｌａｔｏｎｉｎｂｉｏｓｙｎｔｈｅｓｉｓｃｏｎｔｒｉｂｕｔｅｓｔｏｔｈｅａｌｌｅｖｉａｔｉｏｎｏｆｃａｒｂｅｎｄａｚｉｍｐｈｙｔｏｔｏｘｉｃｉｔｙａｎｄｒｅｓｉｄｕｅｓｉｎｔｏｍａｔｏｐｌａｎｔｓ［Ｊ］．ＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＰｏｌｌｕｔｉｏｎ
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ｄｏｉ：１０．１５８８９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００２－１３０２．２０２３．１７．００９
砷胁迫下不同纳米颗粒对水稻养分吸收、生理特性及砷累积的影响
苏瑞琴１，张　妍２，崔同霞２
（１．兰州现代职业学院，甘肃兰州７３００００；２．甘肃农业职业技术学院农业与生态学院，甘肃兰州７３００３０）
摘要：采用盆栽试验，研究施用３种纳米颗粒（ＳｉＯ２、ＴｉＯ２、ＭｎＯ２）对不同砷（Ａｓ）浓度（０、１０、３０ｍｇ／ｋｇ）下水稻养分吸收、生理特性及Ａｓ累积的影响；探讨纳米材料对Ａｓ胁迫下水稻养分吸收及相关生理适应机制，为水稻安全生产提供理论依据。

结果表明，与Ａｓ０处理相比，砷胁迫（Ａｓ１０、Ａｓ３０）整体降低了水稻生物量、养分累积量（Ｋ、Ｐ、Ｓ、Ｃａ、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｕ）、光合气体交换参数（Ｐｎ、Ｃｉ、Ｇｓ、Ｔｒ），且提高了丙二醛（ＭＤＡ）含量及抗氧化酶（ＳＯＤ、ＰＯＤ、ＣＡＴ）活性，在此基础上施用纳米材料均整体提高了水稻养分吸收及改善了相关生理生化特征，但不同Ａｓ水平下不同处理间存在差异。

无和低Ａｓ胁迫水平（Ａｓ０、Ａｓ１０）下各处理整体表现为ＣＫ＜ＴｉＯ２、ＭｎＯ２＜ＳｉＯ２；而在较高Ａｓ胁迫处理（Ａｓ３０）下则以ＭｎＯ２纳米粒子处理最佳，同时ＭｎＯ２处理下土壤、植株的Ａｓ浓度、生物富集系数（ＢＣＦ）及转移系数（ＴＦ）降幅最大。

综上，在砷胁迫土壤中整体以施用ＭｎＯ２纳米颗粒处理较佳，尤其表现在高Ａｓ污染中；Ａｓ３０水平下，与其他处理相比，ＭｎＯ２纳米颗粒处理的土壤、根、茎、叶、穗Ａｓ浓度均明显降低，ＢＣＦ、ＴＦ则分别显著降低１３．３６％～５９ ９１％、３ ８７％～３３．３６％。

关键词：纳米材料；砷胁迫；水稻；元素累积；生理特性
中图分类号：Ｓ５１１．０１ 文献标志码：Ａ 文章编号：１００２－１３０２（２０２３）１７－００６７－０８
收稿日期：２０２３－０２－２７
基金项目：甘肃省高等学校创新基金（编号：２０２２Ａ－２６７）。

作者简介：苏瑞琴（１９７２—），女，甘肃定西人，副教授，主要从事农作
物高产栽培技术、化学教育工作。

Ｅ－ｍａｉｌ：ｌｘｘｄ０９３０＠１６３．ｃｏｍ。

土壤重金属污染已成为发展中国家和发达国
家共同关注的环境安全问题［１］。

砷（Ａｓ）是常见的
重金属物质，其具有高移动性、高毒害性以及不可生物降解等特性。

未受污染的土壤中Ａｓ正常含量较低，但由于近年来含Ａｓ化肥与农药的大量施用，
农田土壤Ａｓ含量往往超标［２］。

研究表明，Ａｓ对植
物具有极强的致毒性，可显著抑制植物的光合代谢活性和矿物质养分吸收，使植物生理系统紊乱，严
重时可直接导致植物死亡［
３］。

水稻作为世界上６０％以上人口的主食，是碳水化合物、淀粉、蛋白质以及维生素的重要膳食来源。

然而由于水稻生长周期较长、生物量大，具有较大的Ａｓ累积潜力，且活力最强的Ａｓ（Ⅲ）
多存在于淹水环境中，这些因素使得Ａｓ胁迫成为水稻安全生产的重要潜在威胁［４］。

因此，发展可持续战略以减少水稻Ａｓ积累对于食品
安全和人类健康至关重要。

植物修复与农业生产（ＰＣＡ）相结合是基于“边—
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修复边生产”理念延伸的一项在不断农业生产情况下同时修复和安全使用重金属污染土壤的可持续模式，这对于轻度和中度污染的农业用地尤为重
要［
５］。

在传统的ＰＣＡ模式中，田间利用Ａｓ高积累作物（如苋菜、向日葵）或超积累植物（景天、万寿菊、龙葵等）可在一定程度上修复农业用地土壤中的Ａｓ污染，但在实际运用中仍存在较大弊端，如经济效益降低、劳动成本增加及不切合农民传统的种
植习惯等［６］。

因此，目前土壤Ａｓ修复技术主要为钝化、淋洗、电动修复技术等［７］，而高性价比、环境
友好的阻控技术亟待探索。

纳米技术是一种在纳米尺度上进行的新兴尖端技术，其可利用金属氧化物作为纳米调节剂从而提高植物性能、粮食产量和营养品质，因此受到越
来越多的关注［
８］。

大量研究表明，外源性施用纳米颗粒（ＮＰｓ）可以显著改善抗坏血酸过氧化物酶（ＡＰＸ）、过氧化氢酶（ＣＡＴ）和过氧化物酶（ＰＯＤ）等抗氧化酶系统活性，同时降低作物对Ａ
ｓ的吸收和富集［９］。

然而，ＮＰｓ对植物Ａｓ吸收的影响因ＮＰｓ类
型、植物种类、施用时间和施用方式而异
［１０］。

因此，
将ＮＰｓ应用于农业生产中仍然需要对ＮＰｓ的适宜性进行更多的试验论证。

几项研究表明，金属氧化物纳米颗粒对作物不同组织中镉（Ｃｄ）的分布、生物
利用度具有积极影响［９，１１］，然而关于不同纳米颗粒
对Ａ
ｓ胁迫的缓解作用鲜有涉及。

基于此，本研究通过盆栽试验探索了不同Ａｓ水平下施用不同纳米颗粒对水稻养分吸收、生理特性、砷累积及转运的影响。

研究结果可为纳米颗粒运用于水稻的田间生产提供理论依据。

１　材料与方法
１．１　试验地点和供试材料
试验于２０２２年６—９月在甘肃省兰州现代职业学院塑料大棚中进行。

供试水稻品种为嘉优中科６号，将种子采用２％次氯酸钠浸泡１０ｍｉｎ进行表面消毒之后采用流动蒸馏水清洗，将种子埋入灭菌泥炭
藓中催芽，并在光照度为４００μｍｏｌ／（ｍ２·ｓ）、昼／夜
光照周期为１６ｈ／８ｈ、昼／夜温度２５℃／２２℃、湿度为７０％的温室中培养１０ｄ。

供试纳米颗粒分别为二氧化硅纳米颗粒（ＳｉＯ２ＮＰｓ）、二氧化锰纳米颗粒（ＭｎＯ２ＮＰｓ）以及二氧化钛纳米颗粒（ＴｉＯ２ＮＰｓ），三者均购自上海美尔雅实业有限公司。

试验所用外源Ａｓ为三价亚砷酸钠（ＮａＡｓＯ２
），购自国药集团化学试剂有限公司。

试验所用化肥为水稻专用肥（Ｎ、Ｐ２Ｏ５、Ｋ２Ｏ含量分别为１８％、９％、１５％），购自甘肃省农资化肥有限责任公司。

供试土壤取自张掖市农业试验站试验基地（３８°５６′Ｎ，１００°２６′Ｅ）。

土壤类型为棕壤，ｐＨ值７ ８３，表层土壤（０～２０ｃｍ）有效砷含量为０．５６ｍｇ／ｋｇ，有机质含量为１８．０３ｇ／ｋｇ，全氮、全磷、全钾含量分别为９．２１％、２．２８％、１２．７９％，速效氮、速效磷、速效钾含量分别为６８．６８、２４．９２、１０２．０６ｍｇ／ｋｇ。

　１．２　试验设计
试验采用完全随机设计，根据《中华人民共和国国家标准土壤环境质量标准》水田土壤Ａｓ污染３级标准，Ａｓ水平设置为０ｍｇ／ｋｇ（Ａｓ０）、１０ｍｇ／ｋｇ（Ａｓ１０）、３０ｍｇ／ｋｇ（Ａｓ３０）（以纯量计）３个水平，以模拟水稻土中没有、轻度、中度砷污染水平。

上述每个Ａｓ水平下均设置对照（ＣＫ）、单施二氧化硅纳米颗粒（ＳｉＯ２）、单施二氧化钛纳米颗粒（ＴｉＯ２）以及单施二氧化锰纳米颗粒（ＭｎＯ２）４种措施，试验共１２个处理组合方式，每个处理３次重复。

纳米颗粒处理均以悬浮液形式施入，即将纳米粒子采用蒸馏水溶解并采用超声波（１００Ｗ，２５ｋＨｚ）分散３０ｍｉｎ制备为悬浮液，ＳｉＯ２ＮＰｓ、ＴｉＯ２ＮＰｓ、ＭｎＯ２ＮＰｓ施入浓度均为４０ｍｇ／Ｌ。

采用圆形塑胶桶，每盆装土８ｋｇ，将水稻专用肥与土壤提前混合均匀，将ＮａＡｓＯ２采用自来水旋转溶解淹没土壤并平衡１周，
每盆栽种水稻２株。

纳米粒子均采用根施和叶施２种方式施入，其中根施为移栽时根施入２
０ｍＬ，叶施则为抽穗扬花期（移栽７５ｄ）开始喷施，每次５ｍＬ，连续３次，每次间隔４ｄ。

种植期间不定时加入蒸馏水，其他管理措施同水稻培育方法。

试验培育期８９ｄ。

１．３　指标测定分析
１．３．１　植株生物量、Ａｓ含量测定　培育结束后选取长势均一的水稻植株，将水稻的根、茎、叶、穗分离，然后置于烘箱中１０５℃杀青０．５ｈ，６５℃干燥至恒质量并称量。

采用全自动样品快速研磨仪（
Ｊｘｆｓｔｐｒｐ－２４，上海净信科技有限公司）研磨成细粉，４℃下储存在塑料自密封袋中以供进一步分析。

称取水稻各部位样品０．５０ｇ，采用硝酸和高氯酸混合物（５／１，体积比）消化各组织样品（根、茎、叶、穗），基于电感耦合等离子体发射光谱仪采用ＩＣＰ－ＯＥＳ法（ＩＣＰ３０００，
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江苏天瑞仪器股份有限公司）
测定植株组织Ａｓ含量。

１．３．２　土壤Ａｓ浓度测定　准确称取１００．００ｍｇ土壤样品，加入５ｍＬ氯酸、浓硝酸、氢氟酸混合液（
３／１／１，体积比），采用全自动石墨消解仪［ＡｕｔｏＧＤＡ－７２，睿科集团（厦门）股份有限公司］在１２５℃条件下连续消解２ｈ，将消解液转移至容量瓶中采用去离子水准确定容至５０ｍＬ，采用电感耦合等离子体发射光谱测定。

１．３．３　植株叶片抗氧化酶活性及光合特征测定　培养８８ｄ（晴天）１０：００使用便携式光合作用测量系统（ＬＩ－６４００ＸＴ，Ｌｉ－ＣｏｒＮｅｂｒａｓｋａ，美国）测定叶片的净光合速率（Ｐｎ）、蒸腾速率（Ｔｒ）、气孔导度和胞间ＣＯ２浓度（Ｃｉ
）指标。

叶室温度和光量子通量设置参考相关文献［１２］所述。

丙二醛（
ＭＤＡ）含量测定采用硫代巴比妥酸比色法；水稻剑叶超氧化物歧化酶（ＳＯＤ）、过氧化氢酶（
ＣＡＴ）、过氧化物酶（ＰＯＤ）活性分别采用上海酶联生物科技有限公司生产的试剂盒进行测定，其试剂盒号分别为ｍ
ｌ５０３４０１、ｍｌ０２２７８４、ｍｌ０９５２５９。

１．３．４　植株养分元素含量测定　称取水稻样品５００．００ｍｇ，采用硝酸和高氯酸混合物（４／１，体积比）消化植物样品，冷却至室温后，消解液用超纯水定容至５０ｍＬ，采用０．２２μｍ滤膜过滤。

使用电感耦合等离子体发射光谱法（ＩＣＰ－ＯＥＳ）分析消化生物量中的钾（Ｋ）、磷（Ｐ）、钙（Ｃａ）、硫（Ｓ）、镁（Ｍｇ）、铁（Ｆｅ）、铜（Ｃｕ）、锰（Ｍｎ）和锌（Ｚｎ）含量。

１．４　数据处理与统计分析
砷的生物富集系数（ＢＣＦ）及转移系数（ＴＦ）的
计算按照以下公式进行［１３］：
ＢＣＦ＝水稻植株Ａｓ浓度／土壤Ａｓ浓度；ＴＦ＝水稻植株地上部Ａｓ浓度／根系Ａｓ浓度。

采用ＭｉｃｒｏｓｏｆｔＥｘｃｅｌ２０１３进行数据整理，采用ＤＰＳ１４．０进行方差检验及Ｄｕｎｃａｎ ｓ新复极差分析（α＝
０．０５），采用Ｏｒｉｇｉｎ２０２１进行图形绘制。

２　结果与分析
２．１　纳米颗粒对砷胁迫下水稻生物量累积的影响
由图１可知，无论地上部还是根系水稻生物量中，任一Ａｓ水平下，ＳｉＯ２、ＴｉＯ２、ＭｎＯ２的纳米粒子均大于不施用处理（ＣＫ），表明金属氧化物纳米颗粒对水稻生长具有积极作用。

水稻地上部生物量中，Ａｓ０、Ａｓ１０水平下，各处理均整体表现为ＣＫ＜
ＴｉＯ２＜ＭｎＯ２＜ＳｉＯ２，与ＳｉＯ２处理相比，Ａｓ０、Ａｓ１０水平下各处理分别降低１１．３２％～３１．７９％、８．１７％～３８．１８％，且ＭｎＯ２、ＳｉＯ２皆显著大于ＣＫ；在Ａｓ３０水平下各处理表现为ＣＫ＜ＳｉＯ２＜ＴｉＯ２＜ＭｎＯ２，且与ＭｎＯ２处理相比，ＣＫ、ＳｉＯ２分别显著降低３０．７２％、２２．３８％。

各处理水稻根系生物量趋势与地上部累积规律整体趋于一致，即与无Ａｓ胁迫处理（Ａｓ０）相比，
Ａｓ胁迫处理（Ａｓ１０、Ａｓ３０）生物量较低；此外，Ａｓ胁迫处理下，与ＣＫ相比，相关纳米颗粒处理（ＴｉＯ２、ＭｎＯ２、ＳｉＯ２）均在一定程度上提高了根系生物量，且Ａｓ１０水平下以ＳｉＯ２处理较高，而Ａｓ３０水平下以ＭｎＯ２
处理最佳。

２．２　纳米颗粒对砷胁迫下水稻养分累积的影响
由图２－Ａ可知，Ａｓ胁迫降低了Ｋ、Ｍｇ、Ｐ、Ｓ、Ｃａ含量，同一Ａｓ胁迫水平下，相关纳米颗粒处理均整体促进了水稻对大、中量元素的吸收，但整体而言Ａｓ胁迫、施用金属氧化物纳米颗粒对Ｋ、Ｍｇ含量影响较小，对Ｐ、Ｓ、Ｃａ含量影响较大，且各处理的Ｐ、Ｓ、Ｃａ含量趋势与生物量累积规律基本趋于一致，即随着环境中Ａｓ浓度升高，其含量整体呈下降趋势，且在无或低Ａ
ｓ（Ａｓ０、Ａｓ１０）胁迫条件下，各处理整体表现为ＣＫ＜ＴｉＯ２、ＭｎＯ２＜ＳｉＯ２；而当Ａｓ在较高浓度条件（Ａｓ３０）下，则整体表现为ＣＫ＜ＴｉＯ２、ＳｉＯ２＜ＭｎＯ２。

由图２－Ｂ可知，在ＣＫ中，随着环境Ａｓ浓度升高，Ｚｎ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｕ含量均整体呈降低趋势；而施用纳米颗粒条件下，不同纳米颗粒、不同Ａｓ水平下各处理的Ｚ
ｎ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｕ含量规律亦存在差异。

整体而言，在Ａｓ０或Ａｓ１０水平下，整体以ＴｉＯ２、ＳｉＯ２处理的上述微量元素含量存在最大值，而在Ａｓ３０水平下，ＭｎＯ２处理整体具有较大值。

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２．３　纳米颗粒对砷胁迫下抗氧化酶系统的影响
由图３可知，随着Ａｓ污染程度增加，各处理的丙二醛含量整体呈增加趋势，抗氧化酶（ＳＯＤ、ＰＯＤ、ＣＡＴ）活性呈先升高后降低趋势。

其中在ＭＤＡ含量中，Ａｓ０水平下，ＣＫ处理ＭＤＡ含量大于相关纳米颗粒处理（ＴｉＯ２、ＭｎＯ２、ＳｉＯ２），但处理间波动较小，各处理间均无显著差异；
Ａｓ１０水平下，各处理表现为ＳｉＯ２＜ＭｎＯ２＜ＴｉＯ２＜ＣＫ，其中ＴｉＯ２、ＣＫ较ＳｉＯ２处理分别显著提高５３．０９％、１１７．２８％；Ａｓ３０水平下，亦以ＣＫ显著高于其他处理，各处理呈ＭｎＯ２＜ＴｉＯ２＜ＳｉＯ２＜ＣＫ，且两两处理间均差异显著（图３－Ａ）。

由图３－Ｂ可知，ＳＯＤ活性中，Ａｓ０水平下，与ＣＫ处理相比，相关纳米颗粒处理增幅３４．２４％～
４８ １３％；Ａｓ１０水平下，各处理整体呈ＣＫ＜ＴｉＯ２＜ＭｎＯ２＜ＳｉＯ２，Ａｓ３０水平下，各处理整体呈ＣＫ＜ＴｉＯ２＜ＳｉＯ２＜ＭｎＯ２，且Ａｓ胁迫处理（Ａｓ１０、Ａｓ３０）下ＳｉＯ２、ＭｎＯ２均显著大于ＣＫ和ＴｉＯ２处理。

由图３－Ｃ可知，ＰＯＤ活性中，任一Ａｓ水平下，均以纳米颗粒处理（ＴｉＯ２、ＭｎＯ２、ＳｉＯ２）显著大于ＣＫ处理；就纳米颗粒处理而言，Ａｓ１０水平下各处理呈ＭｎＯ２＜ＴｉＯ２＜ＳｉＯ２，而在Ａｓ３０下则表现为ＳｉＯ２＜ＴｉＯ２＜ＭｎＯ２。

各处理ＣＡＴ活性变化趋势与ＰＯＤ活性变化规律基本一致（图３－Ｄ）。

２．４　纳米颗粒对砷胁迫下水稻光合气体交换特性的影响
由图４－Ａ可知，Ａｓ
胁迫及施用纳米颗粒对净
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光合作用（Ｐｎ）存在显著影响，且同一Ａｓ水平的不同纳米颗粒处理存在明显差距。

Ａｓ０水平处理中，以ＳｉＯ２处理Ｐｎ最大，但与相关纳米颗粒处理（ＴｉＯ２、ＭｎＯ２、ＳｉＯ２）均无显著差异；Ａｓ１０水平下，各处理呈ＣＫ＜ＳｉＯ２＜ＭｎＯ２＜ＴｉＯ２，其中ＴｉＯ２、ＭｎＯ２处理显著大于ＣＫ处理；Ａｓ３０水平下，各处理呈ＣＫ＜ＳｉＯ２＜ＴｉＯ２＜ＭｎＯ２，与ＣＫ相比，ＳｉＯ２、ＴｉＯ２、ＭｎＯ２分别显著提高３７．０１％、３９．２８％、４４ ２０％。

各处理的胞间ＣＯ２浓度参数（Ｃｉ）规律与Ｐｎ基本一
致（图４－Ｂ）。

气孔导度（Ｇｓ）中，Ａｓ０水平下，以ＭｎＯ２处理最大，其较同一水平的其他处理增加１１ ０１％～２１．７６％；Ａｓ１０水平下，亦以ＭｎＯ２处理Ｇｓ最大，ＴｉＯ２处理其次，两者无显著差异且皆显著大于ＣＫ、ＳｉＯ２处理；Ａｓ３０水平下，各处理呈ＣＫ＜ＴｉＯ２＜ＳｉＯ２＜ＭｎＯ２，与ＣＫ相比，ＳｉＯ２、ＭｎＯ２分别显著提高３６．７６％、５７．３２％（图４－Ｃ）。

各处理蒸腾速率（Ｔｒ）与Ｇｓ规律基本一致（
图４－Ｄ）。

２．５　纳米颗粒对砷胁迫下Ａｓ累积特性及土壤Ａｓ浓度的影响
由图５－Ａ可知，水稻各器官组织Ａｓ浓度的大小顺序表现为根＞叶＞茎、穗，且随着土壤环境中Ａｓ水平的增加各组织中Ａｓ浓度随之增加，但各处理在不同组织间均无显著差异。

由图５－Ｂ、图５－Ｃ可知，就组织Ａｓ浓度而言，水稻各组织Ａｓ浓度的大小顺序表现为根＞叶＞茎＞穗。

１０ｍｇ／ｋｇＡｓ水平下，与ＣＫ相比，相关纳米颗粒处理（ＴｉＯ２、ＭｎＯ２、ＳｉＯ２）均显著降低了水稻各组织中的Ａｓ浓度，均表现为ＴｉＯ２＞ＳｉＯ２＞ＭｎＯ２，ＭｎＯ２处理对水稻组织Ａｓ吸收的降低效果最为显著，其他处理在Ａｓ１０和Ａｓ３０水平下的根、茎、叶、穗中较其分别显著提高３８．１０％～７３．８１％、７２．７３％～１９９．９９％、７０ ５９％～
１５２．９４％、５０．００％～４００．００％和２８．４０％～１１３．５８％、５２．３８％～２０４．７６％、２３．６８％～１５２ ６３％、２８．５７％～３００．００％。

由图５－Ｄ可知，随着环境中Ａｓ水平的增加土壤Ａｓ浓度随之增加，而在不同Ａｓ水平下，不同试验处理的土壤Ａｓ浓度表现不一。

在Ａｓ０水平中，各处理呈ＣＫ＜ＴｉＯ２＜ＳｉＯ２＜ＭｎＯ２，但各处理间均无显著差异；在Ａｓ１０、Ａｓ３０水平中，各处理均呈ＭｎＯ２＜ＳｉＯ２＜ＴｉＯ２＜ＣＫ，ＭｎＯ２处理在Ａｓ１０、Ａｓ３０水平下较其他处理分别显著降低４３．１０％～７５．８０％、
１４．９２％～６０．７７％。

２．６　纳米颗粒对砷胁迫下水稻Ａｓ生物富集及转运的影响
由图６－Ａ、图６－Ｂ可知，随着环境Ａｓ胁迫水平提高，Ａｓ生物富集系数随之提高，而Ａｓ转运系数
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随之降低。

相关纳米颗粒处理（ＴｉＯ２、ＭｎＯ２、ＳｉＯ２）皆降低了ＢＣＦ和ＴＦ值。

与ＣＫ处理相比，Ａｓ０水平下施用ＳｉＯ２、ＴｉＯ２、ＭｎＯ２使ＢＣＦ分别显著降低３３ ７２％、３８．９３％和３７．６６％，Ａｓ１０水平下分别降低２２．９１％、１２．３５％和２９．８８％，Ａｓ３０水平下分别显著降低２９．１１％、２６．５０％和３７．４７％，其中ＭｎＯ２处理ＢＣＦ最低，Ａｓ３０水平下显著低于其他处理１３．３６％～５９．９１％。

同样地，就转移系数而言，Ａｓ０水平下施
用ＳｉＯ２、ＴｉＯ２、ＭｎＯ２使ＴＦ分别降低１１．４３％、４ ４３％和６．３８％，Ａｓ１０水平下分别显著降低２６ ６０％、２０．６７％和４０．２３％，Ａｓ３０水平下分别显著降低２２．１１％、１１．８４％和２５．０１％，其中ＭｎＯ２处理ＴＦ最低，Ａｓ３０水平下其显著低于其他处理３．８７％～３３．３６％。

这些较低水平的ＢＣＦ和ＴＦ表明，在减少Ａｓ从土壤向水稻根系再向地上部转移方面，整体以ＭｎＯ２
纳米粒子的作用最强。

３　讨论
砷是典型的一级致癌重（类）金属物质，含Ａｓ
地表矿石的开采、工业冶炼以及化肥、农药等的使
用均会造成土壤Ａｓ污染［１０，１４］
，目前土壤Ａｓ浓度超
标已成为制约农业安全生产的重要因素。

生物质
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含量是植物生长发育及有机物质累积的直观表征，生物量越高表明植株生长发育较佳、生理代谢旺
盛［
１５］。

本研究中，任一Ａｓ水平下，相关纳米颗粒处理（ＴｉＯ２、ＭｎＯ２、ＳｉＯ２）均在一定程度上提高了水稻地上部和根系的生物累积量，表明纳米颗粒对水稻生长具有促进作用。

然而在不同Ａｓ水平下，不同纳米粒子表现存在差异，其中在Ａｓ０、Ａｓ１０水平下以ＳｉＯ２纳米粒子表现整体较优，而在Ａｓ３０水平下则以ＭｎＯ２纳米粒子处理最佳。

Ａｓ（Ⅲ）会改变质膜渗透性，与矿质养分竞争转运蛋白进入植物体，从而影响根系对养分的摄取并
改变植物的养分利用状况［１６］
，直接或间接导致营养
缺乏，抑制植物生长发育。

本研究表明，随着土壤中的Ａ
ｓ浓度增加，水稻植株中Ｐ、Ｓ、Ｃａ、Ｚｎ、Ｍｎ和Ｆｅ的浓度整体随之呈降低趋势（图２），进一步证实了Ａｓ胁迫可影响矿质养分吸收。

植物养分吸收的变化可能与抗氧化酶活性介导的Ａｓ胁迫缓解有关。

本研究中，相关纳米颗粒处理（ＴｉＯ２、ＭｎＯ２、ＳｉＯ２）皆降低了水稻剑叶的ＭＤＡ含量，增加了ＳＯＤ、ＰＯＤ、ＣＡＴ活性，从而反映ＴｉＯ２、ＭｎＯ２、ＳｉＯ２处理可诱导抗氧化系统的防御。

此外，本研究表明，与生物量累积现象相似，在无或低Ａｓ水平处理（Ａｓ０、Ａｓ１０）下ＳｉＯ２处理的ＭＤＡ含量更低，ＳＯＤ、ＰＯＤ、ＣＡＴ活性更高，而在较高水平（Ａｓ３０）下以ＭｎＯ２处理存在极值。

Ｓｉ是植物生长发育的有益元素，之前的研究表明当处于重金属胁迫时，植物体内的Ｓｉ可形成净负电荷的半纤维－Ｓ
ｉ基团以促进重金属截留于细胞壁及将重金属区室化于液泡中［１７］
，这可能是ＳｉＯ２Ｎ
Ｐｓ表现较优的原因。

然而当Ａｓ浓度较高时，植物自救系统主要依赖于谷胱甘肽代谢途径，Ｍｎ是酶、蛋白质
基团的主要催化物质［１８］。

此外，Ｍｎ氧化物与Ａｓ的
转化、迁移密切相关，是影响土壤Ａｓ形态和生物毒
性的重要因子［１９］，因此ＭｎＯ２Ｎ
Ｐｓ作用可能更为突出。

光合气体交换特征参数是光合作用强度、植物生理状态及叶片发育优劣的重要体现，光合气体交换特征较好，说明叶片生理代谢协调、光合进程顺
利［２０－２１］。

本研究中，光合气体交换特征参数的下降
程度随Ａｓ浓度的升高而呈整体降低趋势，在Ａｓ胁迫下（
Ａｓ１０、Ａｓ３０），净光合速率、气孔导度、蒸腾速率以及胞间ＣＯ２浓度降低；在所有光合指标中，ＭｎＯ２处理整体具有较大值，表明ＭｎＯ２纳米颗粒在促进叶片光合进程方面效果更佳。

这可能是由于
Ｍｎ是叶绿素合成及光合酶代谢所必需的催化物
质［２２］。

同时进一步研究发现，各处理的Ｐｎ与Ｃｉ、Ｇｓ
与Ｔｒ变化规律基本一致，且Ａｓ胁迫下Ｃｉ与Ｔｒ同升同降，推测Ａｓ胁迫造成生理代谢紊乱是导致Ｐｎ下
降的主要因素［２３］。

此外，本研究发现，Ａｓ胁迫处理
整体降低了水稻的生物量（图１），这也可能与Ａｓ严重影响叶片光系统导致光合活性下降有关。

前人研究表明，胁迫环境中，植物发育迟缓与光合作用密切相关，在胁迫环境下植物倾向于把蛋白质转化为螯合物、渗透物质及相关抗氧化酶，从而用于叶片内囊体的物质分配减少、光合作用受阻、生物量
降低［２４］。

运用纳米材料缓解环境生物胁迫及治理土壤、水体重金属污染是近年来国内外研究的热点，然而目前运用纳米材料辅助作物修复重金属污染土壤以促进农业可持续发展的研究仍处于起步阶
段［８，１０，２５］。

本研究中，水稻各组织器官Ａｓ浓度的分
布大小顺序整体表现为根＞叶＞茎、
穗，且随着Ａｓ水平增加各组织Ａｓ浓度随之提高。

与ＣＫ处理相比，相关纳米颗粒处理（ＴｉＯ２、ＭｎＯ２、ＳｉＯ２）皆可有效降低水稻各部位的Ａｓ浓度，同时土壤Ａｓ浓度亦降低。

从试验数据上看，Ａｓ胁迫处理（Ａｓ１０、Ａｓ３０）时，土壤、各组织Ａｓ浓度均整体呈ＭｎＯ２＜ＳｉＯ２＜ＴｉＯ２＜ＣＫ，其中Ａｓ３０水平下，ＭｎＯ２处理土壤、根、茎、叶、穗分别显著降低１４．９２％～６０．７７％、２８ ４０％～１１３ ５８％、５２．３８％～２０４．７６％、２３．６８％～１５２．６３％、２８．５７％～３００．００％。

此外，ＭｎＯ２处理生物富集系数、转运系数亦最低，分别显著低于其他处理１３ ３６％～５９．９１％、３．８７％～３３．３６％。

４　结论
本研究结果表明，与无砷胁迫处理（Ａｓ０）相比，砷胁迫（Ａｓ１０、Ａｓ３０）整体降低了水稻植株地上部和根系的生物量、光合气体交换参数（Ｐｎ、Ｃｉ、Ｇｓ、Ｔｒ），抑制了水稻养分吸收（Ｋ、Ｐ、Ｓ、Ｃａ、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｕ），提高了丙二醛（ＭＤＡ）含量及抗氧化酶活性（
ＳＯＤ、ＰＯＤ、ＣＡＴ），但不同Ａｓ水平下各处理间表现存在差异。

无和低Ａｓ胁迫水平（Ａｓ０、Ａｓ１０）下，各处理整体表现为ＣＫ＜ＴｉＯ２、ＭｎＯ２＜ＳｉＯ２，以ＳｉＯ２纳米粒子表现整体较优；而在较高Ａｓ胁迫处理（Ａｓ３０）下，各处理整体表现为ＣＫ＜ＴｉＯ２、ＳｉＯ２＜ＭｎＯ２，以ＭｎＯ２纳米粒子处理最佳。

此外，在土壤、植株的Ａｓ浓度、生物富集系数及转移系数中均以
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ＭｎＯ
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处理降幅最大，Ａｓ３０水平下其土壤、根、茎、叶、穗Ａｓ浓度较其他处理分别显著降低１４．９２％～６０．７７％、２８．４０％～１１３．５８％、５２．３８％～２０４．７６％、２３．６８％～１５２．６３％、２８．５７％～３００．００％；而ＢＣＦ、ＴＦ较其他处理分别显著降低１３．３６％～５９．９１％、３ ８７％～３３．３６％。

研究结果为今后纳米材料运用于水稻安全生产提供了理论依据。

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